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2.2不同剪切力條件下生物膜內N元素分布特性
2.2．1 1.0Pa剪切力生物膜內物質濃度分布當磁力攪拌器轉速為402r/min，即模擬1.0Pa沖刷剪切力時，生物膜培養(yǎng)45d達到成熟，其厚度不再變化，總厚度為（2.3±0.1）mm.分別用DO、、微電極測定生物膜內各種物質濃度的分布情況。測定結果如圖4所示。
圖4 1.0Pa剪切力生物膜內物質濃度分布
從圖4中可見，隨著生物膜深度的增加，DO濃度逐漸減小，從表面處的2.85mg/L降低到底部的0.08mg/L，上部為好氧環(huán)境，中間為缺氧環(huán)境，到底部逐步趨近于厭氧環(huán)境，這為同步硝化反硝化的反生提供了有利的條件.由于傳質阻力的存在濃度沿生物膜厚度方向逐漸降低，從4.79mg/L降低到2.70mg/L.濃度從3.01mg/L降低到1.14mg/L，一方面是因為上部較多的發(fā)生硝化反應生成了，另一方面是因為底部的缺氧環(huán)境導致了反硝化反應的發(fā)生，不利于的積累.總體含量較少，其濃度從0.42mg/L增大到0.65mg/L，這是因為整個生物膜內均存在溶解氧，抑制了積累，而膜底部溶解氧略低且反硝化反應會生成，故底部濃度與表面處相比有所增大。
2.2．2 1.5Pa剪切力生物膜內物質濃度分布當磁力攪拌器轉速為507r/min，即模擬1.5Pa沖刷剪切力時，生物膜培養(yǎng)45d達到成熟，其厚度為（1.9±0.1）mm.這時從反應器中取出生物膜，分別用DO、、、微電極測定生物膜內各種物質濃度的分布情況。測定結果如圖5所示。
圖5 1.5Pa剪切力生物膜內物質濃度分布
圖5中物質濃度的總體變化趨勢與圖4相同，DO濃度由2.96mg/L降低到0.15mg/L，上部仍然為處于好氧環(huán)境，中間為缺氧環(huán)境，到底部逐漸趨近于厭氧環(huán)境，比圖4中的DO略高，這是因為1.5Pa剪切力條件下，水流紊動性更強，更有利于DO從水相到生物膜的傳質.濃度則比圖4中的略小，由4.66mg/L降低到2.47mg/L，這是因為較多溶解氧的存在使得更容易發(fā)生硝化反應生成，因而濃度也比圖4中略高.與圖4中相比，圖5中濃度同樣也較低，由0.41mg/L增大到0.58mg/L，比圖4中還略低。
2.2．3 2.0Pa剪切力生物膜內物質濃度分布當磁力攪拌器轉速為600r/min，即模擬2.0Pa沖刷剪切力時，生物膜培養(yǎng)45d達到成熟，其厚度為（1.6±0.1）mm.這時從反應器中取出生物膜，分別用DO、、、微電極測定生物膜內各種物質濃度的分布情況.測定結果如圖6所示。
圖6中DO濃度由3.04mg/L降低到0.49mg/L，含量較高，整個生物膜內均為好氧條件.濃度與另外兩種情況相比較低，這是因為較高的溶解氧更有利于的氧化.濃度較高，且其變化趨勢與另外兩種情況相反，由3.66mg/L增大到4.94mg/L，這是因為整個生物膜均處于好氧狀態(tài)，內部沒有反硝化反應的發(fā)生，硝化反應生成的于生物膜內得到積累，而上部生成的從生物膜內進入到水體，故上部濃度較低.由于沒有反硝化反應發(fā)生，所以濃度很低，少量的是由部分氧化而生成。
圖6 2.0Pa剪切力生物膜內物質濃度分布
雷諾比擬假說的數學表達式如（2）所示：
式中：Dr為徑向紊動擴散系數；τ為距管軸為r處的紊動切應力；u為距管軸為r處的流體流速。
從式（2）中可以看出，切應力τ越大，物質的徑向紊動擴散系數越大，即意味著越有利于物質的擴散.實驗中隨著剪切力的逐漸增大，越有利于DO向膜內的擴散，從而導致生物膜內溶解氧逐漸增大，進而決定了生物膜內微環(huán)境的差別及物質濃度分布的差異。
3、結論
3.1生物膜培養(yǎng)45d達到成熟，1.0，1.5，2.0Pa 3種水力條件下對應的生物膜厚度分別為（2.3±0.1），（1.9±0.1），（1.6±0.1）mm，生物膜厚度隨著剪切力的增大而逐漸減小。
3.2 1.0，1.5Pa水力條件下生物膜內存在好氧、缺氧環(huán)境，有利于硝化和反硝化反應的發(fā)生，即有利于脫氮過程的發(fā)生.而2.0Pa剪切力條件下整個生物膜內均為好氧條件，并沒有反生反硝化反應，不利于脫氮過程的進行。
3.3管壁剪切力是生物膜內微環(huán)境特征最主要的影響因素，直接決定了生物膜內DO分布，進而影響N元素的分布.而管壁剪切力主要由流速決定，在實際管道設計過程中，可以考慮通過控制流速達到最優(yōu)剪切力條件，創(chuàng)造有利于脫氮的環(huán)境。
